“看见”看不见的

每次赶去天文台观测时，总不禁会想：我们正在捕捉的这束光是来自26000光年外银河系中心超大质量黑洞近旁的一颗恒星，而且还真就看到了。那种感觉太神奇了！

——安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）

去年4月轰动全球的“甜甜圈”照片似乎还记忆犹新，黑洞竟毫无征兆地再次成为全球网红：今年的诺贝尔物理学奖颁给了黑洞方面的研究。

首张黑洞照片 | 图源：EHT Collaboration

这又是一次理论和实验的联姻：一半授予英国数学物理学家彭罗斯（Roger Penrose，89岁），以表彰他“发现黑洞的形成是广义相对论的坚实预言”；另一半则表彰德国天文学家根策尔（Reinhard Genzel，68岁）和美国天文学家盖兹（Andrea Ghez，55岁）对“发现银河系中心超大质量致密天体”的贡献。

2020年诺贝尔物理学奖获得者 | 图源：诺奖官网

好理论

好理论对观测的指导意义毋庸置疑。黑洞大咖霍金在《大设计》（The Grand Design）一书中这样描述一个好理论应该有的样子：（1）能解释现有的事实；（2）能做出可以被证实的预言；（3）可以被证伪，但从未被证伪。爱因斯坦的广义相对论就是具有所有这些特质的好理论的完美典范。黑洞是广义相对论的重要预言之一。

彭罗斯干得漂亮的是他在55年前就巧妙地运用微分几何和微分拓扑方法，把连爱因斯坦自己都否定了的黑洞的存在从数学上给坐实了：无论什么干扰，在不断坍缩的黑洞中心会不可避免地形成奇点（singularity）。这就是彭罗斯的原创理论——黑洞奇性定理。越来越多的观测事实似乎都得用黑洞的存在才能合理解释。

观测和发现

根策尔和盖兹领导各自的团队，分别利用大型望远镜对银河系中心附近的大量恒星开展了长达近30年的监测。思路很简单：如果引力主导，则很容易从绕转恒星的运动轨道参数确定中央天体的“暗黑”质量，且越靠近中央天体的恒星给出的约束条件越强。

银河系中心附近密布着的星际尘埃物质阻挡了光学波段的探测可能。因此，两个团队均采用波长2.2微米的近红外波段进行探测，恒星在这个波段发出的光子可以穿透星际尘埃。

S2（或S-O2）是沿椭圆轨道环绕银河系中心人马座A*（Sgr A*）运动的一颗大质量恒星，其轨道周期近16年。根策尔和盖茨所做的就是通过近30年的监测，给出了S2完整轨道周期的观测数据。S2离Sgr A*最近时不足17光时（约200亿千米），能监测到这样一颗如此靠近银河系中心的恒星真算幸运了。否则，如果要观测太阳绕转银河系中心一圈，至少得2亿年，因为在银河系里，我们和太阳一起住在距银河系中心约2.6万光年的郊区。

两个团队的数据完美吻合：银河系中心S2轨道以内存在一个约为400万倍太阳质量的致密天体，而黑洞是目前最合理解释。

银河系中心附近恒星的运动轨迹 | 图源：诺奖官网 / Johan Jarnestad （+中文编辑）

根策尔和盖兹发展了可以透过重重星际气体和尘埃观测银河系中心的新方法，不断挑战技术极限，完善克服地球大气湍动造成的光学图像畸变的新技术，建造独特的观测仪器，并致力于长期的研究，他们的开创性工作为银河系中心存在超大质量致密天体提供了最有力的证据。

感知黑洞

细心的读者可能注意到了，两位观测天文学家的获奖理由中并没有直接说“黑洞”，而是“致密天体”。事实上，迄今所有电磁波观测的所谓“黑洞”（包括去年轰动全球的首张黑洞照片）严格意义上都应该称为“黑洞候选体”，因为光都逃不出的黑洞是几乎不可能用电磁波直接探测的。

正如根策尔在采访时说的：我们其实并不是在“看”黑洞，而是在极其精确地感知它周围绕转的恒星和气体的运动，并通过这些信息计算得出，那里必须是一个黑洞！同时还证明，广义相对论在如此强引力导致的弯曲空间下依然有效。

精度、精度、还是精度

盖兹和根策尔率领各自的团队不断发展相关的观测技术和方法，目的只有一个，不断提高观测精度，精确定出这些恒星的运动轨迹，从而精确确定中心天体的质量等参数。

观测恒星的轨道运动非常耗时，主要依靠地基观测。而要分辨2.6万光年外银河系中心单个恒星的轨道需要极好的空间分辨率，这就需要安装在优良台址的大型望远镜。

当望远镜大到一定程度时，哪怕地球上最好的台址也不能完全发挥其真实威力。地球大气的扰动使得星光波阵面产生畸变，形成星光抖动。而星光抖动必然导致较长时间曝光的星像模糊，望远镜的实际分辨率也随之显著下降，无法满足所需的精度要求。

观测台址的大气视宁度（“seeing”），即上面所说的星光抖动，在早期天文观测相当长的时间里成了地基光学天文观测空间分辨率的“天花板”。为了追求望远镜空间分辨本领的真正极限——衍射极限，天文学家发展各种技术和方法解决星光抖动的问题。在2.2微米波段，口径10米的Keck望远镜的衍射极限大约为0.05角秒。

根策尔和盖兹的团队在相关技术方法上的潜心研究和不断创新是他们成功的关键。专注于一个共同目标近30年，他们更是体会深刻：正是不断提升的技术让人类拥有了以不同寻常的方式来探查宇宙的能力。

技术方法

通常情况下星光波阵面畸变是毫秒级的，而星像移动是亚秒级的。相应的校正也必须在同等量级或更短的时标上实施。

〇 斑点成像方法（Speckle imaging）

为了克服亚秒级的星光抖动，天文学家们首先想到的是缩短曝光时间， 通过一系列亚秒级短曝光的照片平移对准后叠加以消除大气随机扰动对成像质量的影响，星像锐利了，背景噪声降低了，最终实现衍射极限级别的高像质。

盖兹的博士论文就是关于斑点成像方法的应用。在盖兹团队1998年那篇“银河系中心超大质量黑洞的证据”的论文中，斑点成像方法发挥了关键作用。

根策尔团队花了4年时间用同样的办法确定了多颗恒星的位移，像质同样接近衍射极限。通过对比不同时间测量的恒星位置，以及不同位置处的恒星速度，确定了恒星速度与到银河系中心距离的关系，并依此确定银河系中心为单一大质量点源。

〇 自适应光学和激光导星技术

斑点成像方法所要求的短曝光时间只适用于亮星，而对于比较暗的星，特别是为了获取可信的恒星径向速度测量还需要进行光谱观测，则需要极长的观测时间。自适应光学技术可以更好地解决大气扰动影响的问题：通过观测目标天体附近的亮星或激光导引星，并在望远镜光学系统中增加变形镜来修正已知导引星的波阵面因地球大气扰动而产生的畸变，使得更暗弱、更复杂天体的成像质量也可以达到衍射极限水平。

自适应光学系统框图 | 图源：Laurent Lessard

自适应光学的概念最早于上世纪50年代由Babcock提出。典型的自适应光学系统主要包括三大部分：波阵面传感器、实时运算控制器和带驱动的变形镜，分别负责波阵面的探测、计算和校正。

对大气扰动影响的实时校正需要在几毫秒内完成畸变波阵面的探测、计算、校正。在当时的技术条件下，无法实现如此高速的校正和探测，相关研发耗资巨大。直到1988年，Keck II望远镜才率先发展并安装了自适应光学系统，并于2004年率先使用激光导星技术。实时的快速畸变补偿使得高像质（达到衍射极限水平）的长时间曝光成为可能。

Keck天文台：两道激光指向银河系中心，生成一颗人造亮星 | 图源 Keck

激光钠导星就是利用强激光去激发约90公里高空的钠原子层，迫使钠原子发光形成人造导引星，再通过这颗星的亮度快速变化来监测大气扰动。这类人造导引星的优势就在于它可以打到任意一个需要观测的方向，从而进一步扩大了自适应光学望远镜的观测范围。通过可快速驱动的变形镜进行实时校正，就可保证星像的稳定，获得更清晰的观测图像。

激光导星自适应光学系统原理图 | 图源：诺奖官网（+中文编辑）

借助自适应光学系统和强大的激光纳导星技术，欧洲南方天文台的VLT望远镜拥有最先进的地面天文光学成像系统。目前VLT上使用的光纤激光钠导星技术是2016年才试验成功的。激光导星将是未来大型光学望远镜的标配。

VLT上强大的激光导星系统示意图 | 图源：ESO

不过，事情总有两面性。由于强大的激光会不可避免地对卫星等航天器上的光学设备造成干扰和破坏，激光导星的位置也就必然受到经过观测天区的卫星的限制，通常会规定一个几度量级的安全规避范围。随着卫星的日益增多，这一限制对观测效率的影响会越来越明显，甚至会是致命的。

〇 近红外干涉

当更大口径的望远镜在技术和造价上遇到困难时，还想提高空间分辨率就只能借助两台或更多单镜的干涉来实现了。Keck望远镜是两台10米口径的望远镜组成的，VLT由4台8米口径的望远镜组成，都可以通过干涉，进一步提高分辨率。

两个不同视半径的恒星（左）单镜（中）和干涉（右）观测的结果 | 图源：ESO

作为VLT的第二波技术创新，2016年安装的GRAVITY专用光干涉仪能让4台8米望远镜干涉组成一台目前威力最强大的望远镜，集光面积相当于一台有效口径16米的光学望远镜，在某些方向的最高空间分辨率则相当于一台有效口径130米的光学望远镜。

VLT干涉观测：干涉条纹随望远镜基线的变化 | 图源：ESO

技术之外

〇 专注

根策尔总结几十年的研究历程：耐心、运气和很多人一起坚持不懈的努力，一点一点地推进，让它越来越好。这应该算是对科技发展的一种最朴素的诠释。

精度的显著提高后几个晚上的观测即可分辨出恒星的移动，从而又带来新的惊喜：发现S2还会 “跳舞”——首次在黑洞附近的恒星中证实史瓦西进动，再一次成就了对广义相对论预言的完美检验。

会“跳舞”的恒星S2艺术想象图 / 黑洞附近恒星的史瓦西进动 | 图源：ESO/L. Calçada

1998年对盖兹可能算是个里程碑，她和团队发表了那篇“银河系中心超大质量黑洞的证据”。在那之前，基本是她的博士论文工作或延续，所发表的科研论文中，标题高频词是“斑点成像”和“金牛座T型星”；从那以后，就变成了“银河系中心“”黑洞”“自适应光学”。有科学，也有技术。为了“看见”看不见的，一干就是二十多年，而且真就“看见”了，这是对专注最好的诠释。

〇 传承

根策尔非常感谢他的博士后合作导师汤斯（Charles Townes，1915–2015）——微波激射器（Maser）的主要发明者和激光器（Laser）的先驱者之一，并因此分享了1964年诺贝尔物理学奖。

上世纪60年代初，类星体刚被发现没多久，汤斯就想着要看看银河系中心，可是光学看不到，于是他研制了一套测量气体运动多普勒速度的观测设备，根策尔作为博士后加入了汤斯的观测团队，并于80年代初开始转向银河系中心恒星运动测量。

科学的火炬就这样从一代人手里交到下一代手中，有意思的是，由汤斯提出基本概念的激光在根策尔确定银河系中心超大质量黑洞存在的工作中发挥了关键作用，这可能是汤斯本人都没有想到的。

未来可期

盖兹和她的团队在过去的25年里，已经研究了3000多颗围绕银河系中心黑洞运动的恒星。展望未来，盖兹希望能借助如30米望远镜TMT、24米口径大麦哲伦望远镜GMT、39米口径的欧洲特大望远镜E-ELT等下一代大型望远镜，监测到距离超大质量黑洞更近的恒星运动，这样就可以对黑洞给出更好的约束。

在根策尔看来，没有所谓完美的理论，即使广义相对论，也总该有它会失效的情形，也许是在很小的尺度上，只是目前的技术还没法实现这种观测。他认为，最终的突破得靠未来的空间计划，那时人类有望探测到一颗太阳质量左右的恒星被卷入黑洞时所发出的引力波，并有机会在更小的尺度上检验基础物理理论的有效性。他坦言，尽管欧空局正在开展相关的预研，但是这注定是一个极其贵，又非常难的项目。

黑洞注定是不寻常的，让我们拭目以待。

参考资料：

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/

主编：毛瑞青

轮值主编：李国亮

编辑：王科超、高娜

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